地鐵盾構(gòu)近距離穿越馬家浜施工技術(shù)

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

地鐵盾構(gòu)近距離穿越馬家浜施工技術(shù)

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

介紹上海軌道交通9號線（東延伸）工程9標(biāo)碧云路站—平度路站區(qū)間隧道施工時，為減少馬家浜、防汛墻等重要建構(gòu)筑物的沉降，施工前即進(jìn)行了針對性的盾構(gòu)機(jī)改制，穿越施工過程中進(jìn)行精細(xì)化管理，均衡施工，穿越后進(jìn)行二次注漿加固的技術(shù)措施，保證了建構(gòu)筑物的安全，順利完成了區(qū)間隧道的施工，可為今后類似工程提供借鑒。

地鐵盾構(gòu)；穿越；施工技術(shù)；同步注漿

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海軌道交通9號線碧云路站—平度路站區(qū)間上行線長1 987.485 m（1 658環(huán)），下行線長1 985.264 m（1 656環(huán)），最小平面曲線半徑800 m，區(qū)間隧道最大縱坡15.088‰，頂覆土埋深8.6～16.7 m。本區(qū)間隧道采用兩臺6 760土壓平衡盾構(gòu)機(jī)從平度路站站西端頭井始發(fā)，先后穿越馬家浜、薛家浜后，推進(jìn)至碧云路站進(jìn)洞。

區(qū)間上行線在280～309環(huán)，下行線在280～309環(huán)處，盾構(gòu)機(jī)將先后下穿馬家浜。馬家浜河道寬約30.6 m，水流較為平緩，河底標(biāo)高為-1.0 m，隧道頂標(biāo)高-8.6 m，河底距隧道7.6 m。馬家浜穿越段兩側(cè)為馬家浜老駁岸和新建中的防汛墻。馬家浜老駁岸采用250 mm×250 mm預(yù)制方樁和600鉆孔灌注樁，樁長分別為7.0 m、8.0 m，樁底標(biāo)高分別為-5.5 m、-6.5 m。新建中的防汛墻采用220 mm×280 mm方樁，樁長8 m，樁底標(biāo)高-6.2 m。穿越時區(qū)間隧道位于④灰色淤泥質(zhì)黏土和⑤1-1灰色黏土層中，區(qū)間隧道中心標(biāo)高-11.9～-12.1 m，防汛墻方樁樁底與隧道最小豎向距離為2.1 m。圖1為區(qū)間隧道與馬家浜橋、防汛墻及匝道承臺樁基位置關(guān)系圖。盾構(gòu)穿越馬家浜掘進(jìn)軸線情況見表1。

圖1 區(qū)間隧道與馬家浜橋、防汛墻及匝道承臺樁基位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)

盾構(gòu)穿越馬家浜覆土區(qū)，最淺覆土約為7.6 m，盾構(gòu)斷面處于④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1層灰色黏土中，穿越的土層由上至下分別為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉性土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土。③、④、⑤1-1、⑤1-2層含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性弱，且具有明顯的觸變、流變特性，在動力作用下土體結(jié)構(gòu)易破壞，造成土層流動以致開挖面失穩(wěn)。表2為地層物理性質(zhì)表。

表1 盾構(gòu)穿越馬家浜掘進(jìn)軸線情況統(tǒng)計表

2 準(zhǔn)備工作

2.1 穿越前準(zhǔn)備工作

（1）在盾構(gòu)機(jī)穿越馬家浜前，對其及周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，重點摸清河岸防汛墻結(jié)構(gòu)情況，并對河道寬度、河床標(biāo)高、水位標(biāo)高進(jìn)行實測標(biāo)定。

（2）在穿越前辦理相關(guān)手續(xù)，以便接受監(jiān)督。（3）在施工前，對施工人員進(jìn)行交底。

（4）對機(jī)械設(shè)備，特別是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)，確保在穿越施工中機(jī)械設(shè)備情況良好，尤其要確保盾尾密封裝置和螺旋機(jī)閘門等能夠隨時有效發(fā)揮作用。

（5）為了更好地減小盾構(gòu)機(jī)穿越的影響，建立試推階段，摸索相應(yīng)數(shù)據(jù)，更好地控制施工。除了按常規(guī)布置沉降觀測點外，在河岸及其附近的盾構(gòu)軸線外側(cè)布置深層測點，在盾構(gòu)機(jī)穿越前、穿越中和穿越后對土體的變形進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。

2.2 控制段劃分

根據(jù)土體應(yīng)力影響角擴(kuò)散原理，離防汛墻前20 m，盾尾穿出離防汛墻10 m設(shè)置為穿越段。上行線盾構(gòu)推進(jìn)267～315環(huán)時穿越馬家浜及防汛墻，穿越段共48環(huán)；下行線盾構(gòu)推進(jìn)266～312環(huán)時穿越馬家浜及防汛墻，穿越段共46環(huán)。

表2 地層物理性質(zhì)表

3 施工技術(shù)措施

3.1 盾構(gòu)推進(jìn)和地層變形的控制

該工程采用土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，其利用壓力倉內(nèi)的土壓力來平衡開挖面的土體，從而達(dá)到對盾構(gòu)正前方開挖面支護(hù)的目的。平衡壓力的設(shè)定是土壓平衡式盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，維持和調(diào)整設(shè)定的壓力值又是盾構(gòu)推進(jìn)操作中的重要環(huán)節(jié)。這里面包含著推力、推進(jìn)速度和出土量的三者相互關(guān)系[1]，對盾構(gòu)施工軸線和防汛墻變形量的控制起主導(dǎo)作用。所以在盾構(gòu)施工中要根據(jù)不同土質(zhì)、覆土厚度及水位高度，配合監(jiān)測信息分析，及時調(diào)整平衡壓力值的設(shè)定。同時，要求推進(jìn)中盾構(gòu)姿態(tài)保持相對平穩(wěn)，控制每次糾偏量不過大，減少對土體的擾動，并為管片拼裝創(chuàng)造良好的條件[2]。根據(jù)推進(jìn)速度、出土量和地層變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整注漿量，從而將軸線、防汛墻及馬家浜河床變形控制在允許的范圍內(nèi)。

盾構(gòu)軸線控制偏離設(shè)計軸線不得大于±50 mm，地面沉降量控制在+10～-30 mm。

3.2 主要參數(shù)設(shè)定

3.2.1 平衡壓力值的設(shè)定原則

盾構(gòu)在穿越馬家浜前后存在覆土的突變，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)前根據(jù)覆土深度的變化，必須對平衡壓力設(shè)定的差值有一個理論上的認(rèn)識，在盾構(gòu)穿越馬家浜前后，及時對設(shè)定平衡壓力進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)地質(zhì)情況及隧道埋深等情況，進(jìn)行理論計算切口平衡壓力（正面平衡壓力）：

式中：P為平衡壓力（包括地下水）；γ為土體的加權(quán)平均重度，取17.7 kN/m3；h為隧道中心埋深，取17.5 m，河中隧道埋深取11.0 m；k0為土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)，取0.75；P0為河水及橋梁附加荷載，取0.03 MPa。

地面段：P1=k0γh=0.75×17.7×17.5×0.001= 0.232 MPa

河底段：P2=k0γh=0.75×（17.7×11.0×0.001+ 0.03）＝0.169 MPa

在盾構(gòu)切口距離防汛墻投影面約17.5 m時，土壓力設(shè)定值應(yīng)逐漸降低至計算值。由原先的0.232 MPa逐步降低至0.169 MPa，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)陸地前土壓力再逐步提高至0.232 MPa。施工過程中應(yīng)根據(jù)防汛墻監(jiān)測數(shù)據(jù)及時對土壓力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，確保地面環(huán)境及防汛墻的安全和穩(wěn)定。

3.2.2 推進(jìn)出土量控制

每環(huán)理論出土量：

π/4×D×L=π/4×6.762×1.2=43.07 m3/環(huán)式中：D為盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑；L為管片環(huán)寬。

盾構(gòu)推進(jìn)出土量控制在98%～100%之間，即42.21～43.07 m3/環(huán)。

推進(jìn)過程中應(yīng)觀察螺旋機(jī)出土口的土質(zhì)變化情況及出土箱數(shù)。

3.2.3 推進(jìn)速度

盾構(gòu)推進(jìn)速度不宜過快，以1～1.5 cm/min為宜，避免由于推進(jìn)速度過快造成對土體的過分?jǐn)D壓，從而導(dǎo)致盾構(gòu)切口與河底貫穿。盾構(gòu)推進(jìn)過程速度保持穩(wěn)定，確保盾構(gòu)均衡、勻速地穿越，減少盾構(gòu)推進(jìn)對前方土體造成的擾動，減少對河床及防汛墻的影響。

3.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)進(jìn)行平面或高程糾偏的過程中，會增加對土體的擾動[3]。在穿越過程中，盡可能使盾構(gòu)勻速、直線通過，盡量避免大幅糾偏，以免造成過大的地層損失。根據(jù)自動測量系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)實時糾偏，單次平面糾偏量控制在5 mm/環(huán)內(nèi)，單次高程坡度糾偏量不超過1‰。

3.4 盾構(gòu)推進(jìn)自動化測量的應(yīng)用

為了確保盾構(gòu)順利穿越馬家浜，區(qū)間隧道兩臺盾構(gòu)機(jī)采用實時測量系統(tǒng)，利用先進(jìn)的測量、電子傳感器和計算機(jī)技術(shù)，計算盾構(gòu)機(jī)的位置、姿態(tài)和趨勢信息（見圖2），并與設(shè)計隧道軸線進(jìn)行比較，以直觀的方式圖文并茂地給盾構(gòu)機(jī)操控人員實時地提供信息，實時糾偏，減少盾構(gòu)糾偏帶來的土體擾動。

圖2 自動化測量示意圖

3.5 同步注漿

（1）同步注漿設(shè)備優(yōu)化

減小盾構(gòu)掘進(jìn)過后土體的后期沉降量，對盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[4]，增配一臺施維英注漿泵（見圖3），可實現(xiàn)4點同時壓注大比重單液漿，即時有效地進(jìn)行同步注漿充填管片與土體間的建筑空隙，減少土體擾動，可有效控制土體后期沉降量。

圖3 配備施維英泵

（2）同步注漿漿液控制

同步注漿漿液采用大比重單液漿。通過同步注漿及時充填建筑空隙，減少施工過程中的土體變形。同步注漿量一般為建筑空隙的150%～200%，即每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量約為3.02～4.02 m3。盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)可滿足盾構(gòu)掘進(jìn)時4點（上部兩點、下部兩點）同時注漿，即時填補(bǔ)建筑空隙，能夠有效覆蓋整個圓周，不易產(chǎn)生注漿盲點。漿液采用最新研制的大比重單液漿，上、下壓漿量分配比視壓漿時的壓力值和地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)而相應(yīng)調(diào)整。

嚴(yán)格控制每環(huán)的壓漿量，并確保同步注漿漿液的質(zhì)量。防止注漿不足或者超量引起土體沉降，對防汛墻結(jié)構(gòu)、橋臺結(jié)構(gòu)造成破壞。

注漿時，必須嚴(yán)格控制注漿壓力，避免由于注漿壓力過高而擊穿上層覆土[5]。上層覆土被頂破后會造成如下兩方面的危害：

（1）上覆土層頂破后，河水與正在施工的隧道之間形成一個通道，河水可能通過盾尾、管片接縫進(jìn)入隧道，給隧道施工帶來危險；

（2）漿液通過這個通道進(jìn)入河道，會對河水造成污染。

本區(qū)域內(nèi)的二次注漿漿液選定為雙液漿，注漿量根據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，及時進(jìn)行調(diào)整。

同步注漿和二次注漿的漿液初定配比見表3和表4。

表3 1 m3同步注漿漿液配比(重量比)

表4 二次注漿漿液配比(重量比)

3.6 管片拼裝

在盾構(gòu)進(jìn)行拼裝的狀態(tài)下，由于千斤頂?shù)氖湛s，易引起盾構(gòu)機(jī)的后退，因此回縮的千斤頂應(yīng)盡可能少，并應(yīng)逐一伸縮千斤頂，以滿足管片拼裝即可，保持開挖面的平衡壓力，同時盡量熟練拼裝工藝，確保優(yōu)質(zhì)快速拼裝管片。在恢復(fù)推進(jìn)時，應(yīng)先恢復(fù)盾構(gòu)的平衡壓力，適當(dāng)可以先推進(jìn)略微的距離，防止平衡壓力下降；拼裝完成后及時管片螺栓復(fù)緊，確保隧道管片穩(wěn)定。

4 實施效果

4.1 監(jiān)測點布設(shè)

（1）地表監(jiān)測點布設(shè)：沿軸線每4環(huán)布設(shè)一個監(jiān)測點，橫向監(jiān)測斷面以隧道軸線為中心[6]，距離軸線3、6、10、15、L（L為一倍覆土埋深，單位：m）各設(shè)置一點，共11點（包括隧道軸線上一點）。每一監(jiān)測斷面及斷面間軸線點保證至少有一地表深層沉降監(jiān)測點[7]。同時，上、下行線在東西防汛墻兩側(cè)周圍保證有一地表深層沉降監(jiān)測點。

（2）防汛墻監(jiān)測點布設(shè)：以隧道軸線為中心，沿防汛墻距離軸線3 m、6 m、10 m、15 m、20 m、30 m布設(shè)監(jiān)測測點。測點布設(shè)采用電錘成孔，安裝監(jiān)測標(biāo)志。

圖4為盾構(gòu)穿越馬家浜沉降監(jiān)測點設(shè)置示意圖。

圖4 盾構(gòu)穿越馬家浜沉降監(jiān)測點設(shè)置示意圖

4.2 沉降控制

馬家浜橋和防汛墻的沉降控制要求為±10 mm。9號線區(qū)間隧道下行線于2015年9月11日出洞，截止2015年11月4日，馬家浜橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)比較正常，并且和施工工況相匹配，周圍環(huán)境處于可控狀態(tài)，施工單位采取的施工工藝、方法、流程合理。馬家浜橋累計沉降量控制在-0.05～-7.89 mm，防汛墻累計沉降量控制在-3.47～3.28 mm，具體數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

圖5 馬家浜橋累計沉降曲線（單位：mm）

圖6 防汛墻累計沉降曲線（單位:mm）

5 結(jié)語

通過對盾構(gòu)成功穿越馬家浜施工相關(guān)技術(shù)研究，可為類似工程提供以下建議：

（1）做好穿越河道及建構(gòu)筑物的現(xiàn)狀探摸工作，針對性地提升盾構(gòu)機(jī)能力，配置自動化監(jiān)測設(shè)備，確定合理的監(jiān)測方案[8]，為盾構(gòu)穿越施工提供良好的客觀條件；

（2）分階段實施施工，設(shè)置試驗段，摸準(zhǔn)各項參數(shù)，給穿越施工提供合理科學(xué)的施工參數(shù)[9]；

（3）穿越施工需精細(xì)化控制，微調(diào)土壓力，同步注漿，嚴(yán)控推進(jìn)速度，以減少土體擾動造成的地層損失率。

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U455

B

1009-7716（2017）08-0168-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.052

2017-04-16

王褘（1972-），男，上海人，工程師，從事隧道施工工作。